韦伯望远镜最冷的仪器达到工作温度

　　在这幅图中，NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜上的多层遮阳板延伸到天文台的蜂窝状镜面下。遮阳板是冷却韦伯红外仪器的第一步，但中红外仪器（MIRI）需要额外的帮助才能达到工作温度。影像来源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
　　据NASA公布的韦伯望远镜最新状态，其最后一个开机的仪器，也是最低工作温度的仪器-中红外仪器（MIRI）已经制冷到6k的超低温度（-267 ）（如图1所示），达到了其7K以下工作温度的要求（如图2所示，图中的水平的虚线为中红外仪器的目标制冷温度）。韦伯目前镜面校准只剩下最后的一步，最后一步需要等到中红外仪器制冷到工作温度后才能进行。
　　图1.韦伯望远镜最新温度
　　图2.韦伯望远镜仪器温度曲线
　　在韦伯携带的四台仪器中，另外三台均为近红外仪器（NIRCam、NIRSpec、FGS-NIRISS），均已达到其目标范围34k至39k工作温度，并且均已开机。中红外仪器携带的探测器本身必须保持在6.7 K的标称温度下，在1000秒的曝光时间内，温度稳定范围要求为20mK，结构和光学元件必须保持在低于15.5 K的温度下，稳定性在1K范围内，以避免长波长的背景辐射影响系统灵敏度。因此需要将中红外仪器组件冷却到大约 7K，接近探测器温度，以消除温度梯度。
　　韦伯的中红外仪器为什么要这么冷呢？因为在更高的温度下，任何可能从太空中探测到的信号都会在其内部产生的＂暗电流＂信号下丢失，即使探测器被冷却，韦伯的图像仍然会被自己的镜子和铝结构发出的热红外光淹没（如果它们的温度超过15k的话）。
　　近红外仪器的冷却采用的是被动方式实现的，但中红外仪器要求的7k以下的温度不可能仅通过被动方式实现，因此韦伯携带了一种创新的制冷机（图2中曲线上的红点即为制冷机开机的时间点），专门用于冷却中红外仪器。
　　用氦冷脉管制冷机，声波再生器实现热量交换。一个很科幻的神奇制冷。
　　这种制冷机使用氦气将热量从中红外仪器的光学元件和探测器输送到遮阳板的温暖一侧。为了管理冷却过程，MIRI还配备了加热器，以保护其敏感部件免受结冰风险。韦伯团队通过逐步调整制冷机和这些加热器，以确保仪器缓慢、可控、稳定的冷却。最后，技术团队将完全关闭MIRI的加热器，使仪器的工作温度降至7k以下（或-266 ）。
　　图3.韦伯望远镜MIRI制冷组件
　　图3.韦伯望远镜MIRI制冷组件
　　由于韦伯望远镜的焦距很长，制冷机最具挑战性的要求之一是低振动。振动水平必须非常低，以防止光学元件的抖动和由此产生的图像模糊。制冷器的预冷器中的脉冲管冷却和制冷机冷头组件中的焦耳-汤姆逊效应冷却没有运动部件。制冷机中唯一的运动部件是两个两缸水平对称活塞泵（如图4所示），通过使水平对称活塞保持良好的平衡和调谐，并以几乎完美的对称运动，振动基本上被抵消，从而最小化。
　　据NASA介绍，MIRI因为它在更长的红外波长下工作，其深度和细节远远超出天文学家迄今为止所能获得的任何信息。该成像仪有望揭示从附近的星云到遥远的相互作用星系的天文目标，其清晰度和灵敏度远远超过我们以前所看到的。温度与地球相似的系外行星将在中红外光下最亮。因此，MIRI配备了四台日冕仪，这些日冕仪经过精心设计，可以在母星的强光照射下探测此类行星。然后，MIRI的两台光谱仪可以测量出系外巨行星（类似于我们自己的木星）的详细颜色，以揭示其大气中气体（包括水、臭氧、甲烷、氨等）的化学特性、丰度和温度。当然，这一切都必须以MIRI降到7k以下的极低温为前提。
　　本文转载于【光电成像】，如有侵权请联系:Jo0729，承诺三天内删除